一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统输配电技术领域，涉及一种模块化多电平换流器新型子模块 拓扑。
【背景技术】
[0002] 柔性直流输电技术为解决大型风电场等可再生能源的并网瓶颈，为城市高压电网 的增容改造、电网互联及孤岛供电提供了新手段和技术方案，具有较强的技术优势，是改变 大电网发展格局的战略选择，已列入《国家能源科技"十二五"规划》高性能输变电关键设 备，是需要重点技术攻关的重大技术装备。
[0003] 由于柔性直流输电是从常规直流输电的基础上发展起来的，因此除了常规直流输 电技术所具有的优点，柔性直流输电较之常规直流输电还具有紧凑化、模块化设计，易于移 动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。
[0004] MMC-HVDC (基于模块化多电平换流器的直流输电技术）是VSC-HVDC (电压源换流 器型高压直流输电）中的一种新型结构。和级联H桥变流器相比，MMC保留了高度模块化的 结构特点，同时又具有一个高压直流母线，能够实现输出电压、输出电流的四象限运行。和 传统的二、三电平变流器相比，MMC不存在开关管串联并联的均压、均流的问题。MMC的每个 子模块结构相对简单，控制容易，可以无限扩展，特别适用于HVDC领域。由于MMC将VSC的 两电平或三电平提高到几十电平甚至上百电平，从而在维持耐压水平的基础之上增大系统 电压等级、大大减少了开关器件的开关频率从而减小开关损耗、输出电压波形更趋近正弦 波从而进一步减产谐波含量。同时，MMC采用完全一致的模块化技术，其模块化结构使其可 扩展性强，便于实现冗余控制，在研发、制造、动态和静态均压以及减小环流方面有着重要 优势。
[0005] 在工程建设方面，南汇风电场柔性输电示范工程，作为我国第一个MMC工程，于 2011年7月完成工程验收，成为我国首条正式投入商用的基于MMC的HVDC输电工程。同时 南网的大型风电场柔性直流输电工程和国网舟山五端柔性直流工程正在建设。
[0006] 传统的MMC-HVDC工程通常采用直流电缆进行传输，直流电缆安全稳定性能较好， 但其价格较高，长距离输电成本较高。而在大容量的传输中更多的采用价格便宜，散热效果 更好架空线传输。而在架空线传输中，传统的半桥结构从本质上缺乏直流故障隔离能力：当 直流侧发生故障时，全控型开关器件反并联的续流二极管易构成故障点交流系统直接连通 的能量馈送回路，必须通过跳开交流断路器来将其切断，其缺点在于机械响应较慢（最快 也需2~3个周波），影响电力的正常传输，同时可能造成换流阀器件的过流和过压。往往 需要采用增大设备额定参数、配置高速旁路开关等辅助性措施，因此该拓扑并不适用于易 发生闪络等暂时性故障的架空线路输电，而需要铺设造价昂贵、故障率低的电缆线路。
[0007] 因此，需要设计新的子模块结构，能够有效的隔离直流故障。
【发明内容】
[0008] 针对上面所述问题和在高压大功率场合的应用要求，本发明在原来半桥结构的基 础上提出一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，由串联的半桥结构和限流模块组成， 新的改进结构不改变原有子模块的结构、控制策略和电容均压方式，改进串联部分可以实 现单独控制。新的改进结构提高了系统的故障穿越能力，在直流侧故障时候，能够有效隔离 故障电流。
[0009] 本发明技术方案：一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，由半桥结构和限流 模块串联组成；所述半桥结构包括相互串联的第一开关模块、第二开关模块和第一电容； 所述第一开关模块的负极与第二开关模块的正极相连；所述第一电容的正极和第一开关模 块的正极相连，第一电容的负极和第二开关模块的负极相连；
[0010] 所述限流模块由第二电容、二极管和第三开关模块组成；所述二极管的负级和第 二电容的正极相连，二极管的正极与第三开关模块的正极相连，第三开关模块的负极和第 二电容的负级相连，限流模块的第二电容负级和第二开关模块的负级相连；
[0011] 所述半桥结构的第一开关模块的负极与第二开关模块的正极之间的节点为所述 拓扑结构的输入端，限流模块的第三开关模块的正极和二极管正极之间的节点为所述拓扑 结构的输出端。
[0012] 进一步的，所述第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块均由一个绝缘栅双 极型晶体管和一个二极管反并联组成。
[0013] 进一步的，正常工作情况下，限流模块中的第三开关模块的绝缘栅双极型晶体管 一直施加脉冲，使其一直处于导通状态，从而使得第二电容和二极管处于短路状态，对输出 无影响。
[0014] 基于模块化多电平换流器子模块拓扑结构实现的一种模块化多电平换流器，包括 三个相单元，每一个相单元分上下桥臂，每个桥臂包括若干个串联的子模块拓扑结构，每相 上下桥臂串联的子模块拓扑结构数量相同；上下桥臂分别串联限流电抗器，每相从上至下 为：上桥臂所有子模块、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器、下桥臂所有子模块；且每相上下桥 臂的连接处外接三相交流电压，上桥臂最上面子模块拓扑结构的输入端与直流正极相连， 下桥臂最下端子模块输出端与直流负极相连。
[0015] 进一步的，在直流输电系统中，当直流侧发生双极短路故障，先检测到故障电流， 然后关闭所有第一开关模块和第二开关模块的触发信号，同时关断限流模块中的第三开关 模块信号，电流从拓扑结构的输出端进入拓扑结构后，通过限流模块的二极管和第二电容 从拓扑结构的输入端流出，而不再通过限流模块的第三开关模块和第一电容。该结构能够 通过电容削减故障电流，达到消除故障目的。半桥结构所并联电容不流经电流，得到保护， 使得故障后可以快速恢复。
[0016] 进一步的，当所述的故障为直流永久性故障时，具体过程为：关断第一开关模块、 第二开关模块和第三开关模块中绝缘栅双极型晶体管的触发脉冲，然后断开交流侧断路 器，进行检修，故障修复后，进行重合闸，再开启第一开关模块、第二开关模块和第三开关模 块。
[0017] 进一步的，当所述的故障为直流暂时性故障时，具体过程为：关断第一开关模块、 第二开关模块和第三开关模块中绝缘栅双极型晶体管的触发脉冲，等待直流侧故障电流为 零后，重新触发第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块的绝缘栅双极型晶体管，建立 直流侧电压，等待系统进入稳态运行。
[0018] 本发明技术方案：本发明主要针对直流侧双极短路故障，研宄双极短路故障下，故 障电流关断机理，抑制措施。
[0019] 本发明的优点在于：1)在高压大容量的传输过程中，能够有效的抑制直流侧故障 电流，无需交流断路器动作；2)该电路能够有效的保护了原子模块电容，在故障恢复后能 够实现快速的恢复；3